(57)【要約】【課題】  光フィルタなどの光デバイスを使用しなくても良好な光出力波形が得られる半導体光増幅器およびその製造方法ならびに光通信デバイスを提供する。【解決手段】  半導体光増幅器１０は、基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられた下クラッド層１３と、電流ブロック層１４，１５と、上クラッド層１６と、２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層１６および溝１７ａの表面に設けられた電気絶縁膜１８と、上クラッド層１６と電気的に接触した表面電極１９などで構成され、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たし、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎがｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすことによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を増幅するための活性層と、
活性層にキャリアを注入するための電極とを備え、
活性層のキャリア寿命τが、τ≦０．３ｎｓを満たし、
活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎが、ｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
光波長に対する利得カーブのピーク波長が、信号光の波長より短波長側にあることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
活性層のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たすように、活性層に不純物が添加されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
活性層のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たすように、活性層にイオンまたはプロトンが注入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
入射した光を増幅するための活性層と、活性層にキャリアを注入するための電極とを備える半導体光増幅器の製造方法であって、
活性層のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たすように、活性層を４００℃以下の温度で成長させる工程を含むことを特徴とする半導体光増幅器の製造方法。
【請求項６】
光変調器と、
光変調器の光入射側に設けられた第１の半導体光増幅器と、
光変調器の光出射側に設けられた請求項１記載の第２の半導体光増幅器とを備え、
第２の半導体光増幅器の活性層のバンドギャップ波長が、第１の半導体光増幅器の活性層のバンドギャップ波長より短波長側に設定されていることを特徴とする光通信デバイス。
【請求項７】
変調光を出力する光変調器と、
光変調器からの光を増幅する請求項１記載の半導体光増幅器とを備え、
該光変調器および該半導体光増幅器が同一基板上に集積化されており、
光変調器側の端面には、光反射性コートが設けられ、
外部からの入力光は、半導体光増幅器、光変調器の順で通過して、光反射性コーティングによって反射され、光変調器、半導体光増幅器で通過して、出力光として出射されることを特徴とする光通信デバイス。
【請求項８】
正チャープの変調光を出力する光送信デバイスと、
光送信デバイスからの変調光を増幅する請求項１記載の半導体光増幅器とを備え、
該半導体光増幅器は、利得飽和領域で動作することによって、変調光に負チャープを付与することを特徴とする光通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光計測などの分野で好適に用いられ、光信号を増幅するための半導体光増幅器およびその製造方法に関する。また本発明は、こうした半導体光増幅器を組み込んだ光通信デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来の半導体光増幅器の光出力波形の一例を示すグラフである。このグラフは下記の非特許文献１に記載されたもので、縦軸は光の強度で、横軸は時間である。従来の半導体光増幅器では、パルス状の信号光が入力されると、光出力波形の立上り部において大きなオーバーシュートが観察される。
【０００３】
この原因は、半導体光増幅器内部のキャリア緩和機構に起因した本質的なものであり、半導体光増幅器の活性層内での光強度分布とキャリア濃度分布とを関連付けるレート方程式の解として現れる。実際、従来の半導体光増幅器に典型的なパラメータを適用して、半導体光増幅器の光波形を計算すると、図１２に似たオーバーシュート波形が見られる。
【０００４】
なお、関連する先行技術（例えば特許文献１〜３）は、直接変調用の半導体レーザが記載されているが、いずれも本発明に係るデバイスとは相違し、光波形のオーバーシュートについても何ら言及がない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１４７８９号公報（図２）
【特許文献２】特開平７−３８１９５号公報（３頁〜４頁）
【特許文献３】特開平１１−２１４７９９号公報（７頁）
【非特許文献１】IEEE Photon. Tech. Lett., vol.10, no.10, pp.1422-1424, 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の半導体光増幅器では、上述のように良好な光出力波形が得られず、非特許文献１に記載されたような光フィルタリングを用いる必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、光フィルタなどの光デバイスを使用しなくても良好な光出力波形が得られる半導体光増幅器およびその製造方法ならびに光通信デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体光増幅器は、入射した光を増幅するための活性層と、
活性層にキャリアを注入するための電極とを備え、
活性層のキャリア寿命τが、τ≦０．３ｎｓを満たし、
活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎが、ｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体光増幅器の光出力波形に大きな影響を与えるパラメータとして、活性層のキャリア寿命τおよび微分利得ｄｇ／ｄｎに着目し、これらの値について最適な範囲に設定することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。その結果、従来のように光フィルタなどの光デバイスを別途設ける必要がなくなり、小型で高性能な半導体光増幅器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず本発明の原理について説明する。図１は、半導体光増幅器の光出力波形に関するシミュレーション結果を示すグラフである。図１（ａ）〜（ｆ）に示すように、上側６つのグラフは、キャリア寿命τ＝０．３ｎｓという条件で、微分利得ｄｇ／ｄｎ＝６×１０−１６ｃｍ２，５×１０−１６ｃｍ２，４×１０−１６ｃｍ２，３×１０−１６ｃｍ２，２×１０−１６ｃｍ２，１×１０−１６ｃｍ２についてそれぞれ計算したものである。また図１（ｇ）〜（ｌ）に示すように、下側６つのグラフは、微分利得ｄｇ／ｄｎ＝４×１０−１６ｃｍ２という条件で、キャリア寿命τ＝０．６ｎｓ，０．５ｎｓ，０．４ｎｓ，０．３ｎｓ，０．２ｎｓ，０．１ｎｓについてそれぞれ計算したものである。各グラフの縦軸は光の強度で、横軸は時間である。なお、微分利得ｄｇ／ｄｎは、キャリア密度に対する光利得の導関数で定義される。
【００１１】
これらのグラフを見ると、微分利得ｄｇ／ｄｎが大きくなるほど、変調光波形のパターン効果が大きくなって、光出力波形の乱れが大きくなる。また、キャリア寿命τが長くなるほど、光出力波形の乱れが大きくなる。一方、微分利得ｄｇ／ｄｎが小さく、かつキャリア寿命τが短くなるほど、変調光波形のパターン効果が小さくなって、良好な光波形が得られることが判る。
【００１２】
従って、活性層のキャリア寿命τを０．３ｎｓ以下に設定し、かつ活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎを４×１０−１６ｃｍ２以下に設定することによって、オーバーシュートが解消され、良好な光出力波形を達成することができる。
【００１３】
実施の形態１．
図２は、本発明の第１実施形態を示す斜視図である。半導体光増幅器１０は、ｎ−ＩｎＰなどで形成された基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された下クラッド層１３と、活性層１２および下クラッド層１３の両側に設けられ、ＩｎＰなどで形成された電流ブロック層１４，１５と、下クラッド層１３および電流ブロック層１５の上を覆うように設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された上クラッド層１６と、基板リッジの両側で上クラッド層１６から基板１１の内部に達する２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層１６および溝１７ａの表面に設けられ、メサ構造１７の上面において開口した電気絶縁膜１８と、電気絶縁膜１８の開口部を介して上クラッド層１６と電気的に接触した表面電極１９などで構成される。
【００１４】
基板１１の裏面には、表面電極１９と対を成す下部電極（不図示）が設けられる。表面電極１９には、リード線等を介して外部から電流が供給される。
【００１５】
次に動作について説明する。表面電極１９から活性層１２へキャリアが注入されると、活性層１２でのキャリア密度が高くなり、誘導放射のための反転分布が形成される。この状態で、信号光が外部から入射し、活性層１２の長手方向に沿って進行すると、反転分布の誘導放射によって信号光が増幅される。
【００１６】
このとき、上述したように、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たし、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎがｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすように構成することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。
【００１７】
図３は、光波長に対する活性層１２の利得カーブを示すグラフであり、図３（ａ）は注入電流Ｉ１の場合、図３（ｂ）は注入電流Ｉ１の場合および注入電流Ｉ２（＞Ｉ１）の場合をそれぞれ示している。
【００１８】
利得の波長依存性は、活性層１２のバンドギャップの大きさに関係しており、光波長がある範囲より長くなったり短くなると、利得は低下する傾向を示す。従って、利得カーブには、最大利得となるピーク波長λｐが存在する。
【００１９】
本実施形態では、図３（ａ）に示すように、信号光の使用波長範囲を、例えば１５３０〜１５６５ｎｍに設定した場合、利得カーブのピーク波長λｐを信号光の波長より短波長側に設定している。図３（ｂ）に示すように、注入電流がＩ１からＩ２に増加した場合、バンドフィリング効果によって利得のピーク波長は短波長側にシフトして、ピーク波長λｐより長波長側の利得の増分ΔＧＬがピーク波長λｐより短波長側の利得の増分ΔＧＳより小さくなる（ΔＧＳ＞ΔＧＬ）。こうした効果は、使用波長と利得ピーク波長λｐの差が大きいほど顕著に現れるため、注入電流の増加に対する利得の増分や微分利得が小さくなる。従って、利得カーブのピーク波長λｐを信号光の波長より短波長側に設定することによって、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎを低く設定することが容易になり、良好な光出力波形が得られる。
【００２０】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、信号光の波長を変化させた場合の光出力波形を示すグラフであり、図４（ａ）は信号光波長が利得ピーク波長λｐより１０ｎｍ短い場合、図４（ｂ）は信号光波長が利得ピーク波長λｐと一致する場合、図４（ｃ）は信号光波長が利得ピーク波長λｐより１０ｎｍ長い場合、図４（ｄ）は信号光波長が利得ピーク波長λｐより２０ｎｍ長い場合、をそれぞれ示している。各グラフの縦軸は光の強度で、横軸は時間である。図４（ｅ）は、図３（ａ）に示す利得カーブのピーク波長λｐと各信号光波長との関係を示すグラフである。
【００２１】
各グラフを比較すると、利得ピーク波長λｐに対して信号光波長が短くなるほど、変調光波形のパターン効果が大きくなって、光出力波形の乱れが大きくなる（図４（ａ））。一方、信号光波長が長くなるほど、微分利得ｄｇ／ｄｎが小さくなり、光出力波形のオーバーシュートを解消できることが判る（図４（ｄ））。
【００２２】
実施の形態２．
本実施形態では、図２に示す半導体光増幅器１０において、活性層１２に対して意図的に不純物をドープすることによって、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓとなるように構成している。活性層１２の内部に不純物が存在すると、不純物は電子と正孔の再結合中心として働いて、活性層１２に注入されたキャリアの平均寿命を低減することができる。この不純物のドープ密度を制御することによって、活性層１２のキャリア寿命τを所望の値に制御することができ、τ≦０．３ｎｓに設定することで、良好な光出力波形を得ることができる。
【００２３】
活性層への不純物のドープ方法として、活性層１２への効率的な電流注入を著しく妨げないような方法が採用可能であり、例えば、ａ）ドナーにもアクセプタにもならない不純物を活性層１２にドープする方法、ｂ）ｐ−ＩｎＰなどからなる上クラッド層１６や下クラッド層１３のアクセプタを活性層１２に拡散させる方法、ｃ）上クラッド層１６や下クラッド層１３と活性層１２との間に任意のｐ型層を介在させて、このｐ型層のアクセプタを活性層１２に拡散させる方法、ｄ）活性層１２の近傍にあるｎ−ＩｎＰなどからなるｎ型クラッド層のドナーを活性層１２に拡散させる方法、ｅ）ｎ型クラッド層と活性層１２との間に任意のｎ型層を介在させて、このｎ型層のドナーを活性層１２に拡散させる方法、などが例示できる。
【００２４】
実施の形態３．
本実施形態では、図２に示す半導体光増幅器１０において、活性層１２に対して意図的にイオンまたはプロトンを注入することによって、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓとなるように構成している。活性層１２の内部にイオンまたはプロトンを注入すると、活性層１２の内部に格子欠陥が生じ、この格子欠陥が電子と正孔の再結合中心として働いて、活性層１２に注入されたキャリアの平均寿命を低減することができる。このイオンまたはプロトンを注入量を制御することによって、活性層１２のキャリア寿命τを所望の値に制御することができ、τ≦０．３ｎｓに設定することで、良好な光出力波形を得ることができる。
【００２５】
実施の形態４．
本実施形態では、図２に示す半導体光増幅器１０において、活性層１２を結晶成長する際に成長温度を下げて、意図的に結晶性を悪化させることによって、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓとなるように構成している。活性層１２の結晶性が悪化すると、活性層１２の内部に格子欠陥が生じ、この格子欠陥が電子と正孔の再結合中心として働いて、活性層１２に注入されたキャリアの平均寿命を低減することができる。活性層１２の成長温度を制御することによって、活性層１２のキャリア寿命τを所望の値に制御することができ、τ≦０．３ｎｓに設定することで、良好な光出力波形を得ることができる。
【００２６】
活性層１２の成長温度は、使用する半導体材料の性質に応じて所望に選択でき、例えばＩｎＰ系半導体材料の場合、活性層１２を４００℃以下の温度で成長させる工程を含むことが好ましい。
【００２７】
実施の形態５．
図５は、本発明に係る半導体光増幅器を組み込んだ光通信デバイスの各例を示す構成図である。まず図５（ａ）において、光通信デバイスは、ＬＤ光源３０と、光変調器４０と、半導体光増幅器１０などで構成され、これらは同一基板上に集積化されている。ここでは、変調光を出力する光送信デバイスとして、光源３０と光変調器４０とが分離した外部変調方式で構成している。
【００２８】
ＬＤ光源３０は、一定の出力を有する光を光変調器４０に供給する。光変調器４０は、外部からの電気信号に応じてＬＤ光源３０からの光を変調する。半導体光増幅器１０は、光変調器４０からの変調光を増幅して、光ファイバなどの通信伝送路に出力する。このとき半導体光増幅器１０は、信号光の強度を高めて光変調器４０や通信伝送路の光学損失を補償するとともに、上述のように活性層のキャリア寿命τおよび微分利得ｄｇ／ｄｎについて最適な範囲に設定することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。そのため、従来のように光フィルタなどの光デバイスを別途設ける必要がなくなり、部品点数が少なく、小型で高性能な光通信デバイスを実現することができる。
【００２９】
次に図５（ｂ）において、光通信デバイスは、ＬＤ光源３０と、半導体光増幅器１０などで構成され、これらは同一基板上に集積化されている。ここでは、変調光を出力する光送信デバイスとして、光源３０が変調光を出力する直接変調方式で構成している。
【００３０】
ＬＤ光源３０は、外部からの電気信号に応じて変調した光を半導体光増幅器１０に供給する。半導体光増幅器１０は、ＬＤ光源３０からの変調光を増幅して、光ファイバなどの通信伝送路に出力する。このとき半導体光増幅器１０は、信号光の強度を高めて通信伝送路の光学損失を補償するとともに、上述のように活性層のキャリア寿命τおよび微分利得ｄｇ／ｄｎについて最適な範囲に設定することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。そのため、従来のように光フィルタなどの光デバイスを別途設ける必要がなくなり、部品点数が少なく、小型で高性能な光通信デバイスを実現することができる。
【００３１】
なお、図示していないが、光変調器４０と半導体光増幅器１０とを同一基板上に集積化し、ＬＤ光源３０を別個に設ける構成も可能である。
【００３２】
次に図５（ｃ）において、光通信デバイスは、半導体光増幅器１０とこれを駆動するための駆動回路とを同一基板上に集積化している。半導体光増幅器１０は、光ファイバなどの第１通信伝送路からの変調光を増幅して、光ファイバなどの第２通信伝送路に出力する中継器として機能する。このとき半導体光増幅器１０は、信号光の強度を高めて通信伝送路の光学損失を補償するとともに、上述のように活性層のキャリア寿命τおよび微分利得ｄｇ／ｄｎについて最適な範囲に設定することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。そのため、従来のように光フィルタなどの光デバイスを別途設ける必要がなくなり、従来の光ファイバ増幅器と比べて、部品点数が少なく、小型で高性能な光通信デバイスを実現することができる。
【００３３】
次に図５（ｄ）において、光通信デバイスは、半導体光増幅器１０と、光受信器５０などで構成され、これらは同一基板上に集積化されている。
【００３４】
半導体光増幅器１０は、光ファイバなどの通信伝送路からの変調光を増幅して、光受信器５０に供給する。光受信器５０は、変調光を電気信号に変換して、外部の回路に出力する。このとき半導体光増幅器１０は、信号光の強度を高めて通信伝送路の光学損失を補償したり、低い強度の信号光を光受信器５０のダイナミックレンジ内に増幅するとともに、上述のように活性層のキャリア寿命τおよび微分利得ｄｇ／ｄｎについて最適な範囲に設定することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。そのため、従来のように光フィルタなどの光デバイスを別途設ける必要がなくなり、部品点数が少なく、小型で高性能な光通信デバイスを実現することができる。
【００３５】
実施の形態６．
図６は、光変調器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。半導体光増幅器１０は、図２と同様な構成を有し、ｎ−ＩｎＰなどで形成された基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された下クラッド層１３と、活性層１２および下クラッド層１３の両側に設けられ、ＩｎＰなどで形成された電流ブロック層１４，１５と、下クラッド層１３および電流ブロック層１５の上を覆うように設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された上クラッド層１６と、基板リッジの両側で上クラッド層１６から基板１１の内部に達する２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層１６および溝１７ａの表面に設けられ、メサ構造１７の上面において開口した電気絶縁膜１８と、電気絶縁膜１８の開口部を介して上クラッド層１６と電気的に接触した表面電極１９などで構成される。
【００３６】
光変調器４０は、半導体光増幅器１０と同じプロセスおよび同じ構成で形成可能であり、共通の基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられた下クラッド層１３および上クラッド層１６と、電気絶縁膜１８と、表面電極４１などで構成される。半導体光増幅器１０の表面電極１９と光変調器４０の表面電極４１との間には、デバイス間の分離を高めるための電気絶縁膜４２が設けられる。
【００３７】
次に動作について説明する。外部光源からの入力光が光変調器４０の活性層１２に入射するとともに、変調された電気信号が表面電極４１を介して活性層１２に注入されると、電界吸収効果によって光が変調される。この変調光は、半導体光増幅器１０の活性層１２に到達する。
【００３８】
半導体光増幅器１０では、表面電極１９から活性層１２へキャリアが注入されると、活性層１２でのキャリア密度が高くなり、誘導放射のための反転分布が形成される。この状態で、光変調器４０からの信号光が活性層１２の長手方向に沿って進行すると、反転分布の誘導放射によって信号光が増幅される。
【００３９】
このとき、上述したように、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たし、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎがｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすように構成することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。
【００４０】
本実施形態では、光変調器４０と半導体光増幅器１０をモノリシックに集積することによって、光変調器４０と半導体光増幅器１０を別個に配置にした場合と比較して、デバイス全体の小型化が図られるとともに、光変調器４０と半導体光増幅器１０の間の光学的結合効率を１００％近くまで向上できるため、信号光の高出力化および低雑音化が図られる。また、光学系などの部品点数が少なくて済むため、低コスト化が図られる。
【００４１】
さらに、本実施形態の光通信デバイスは、光ＤＥＭＵＸ（デマルチプレクサ）としても使用可能であり、入力光は半導体光増幅器１０側から入射し、光変調器４０から出力光として出射する。この場合も同様に、光変調器４０と半導体光増幅器１０をモノリシックに集積することによって、光変調器４０と半導体光増幅器１０を別個に配置にした場合と比較して、デバイス全体の小型化が図られるとともに、光変調器４０と半導体光増幅器１０の間の光学的結合効率を１００％近くまで向上できるため、信号光の高出力化および低雑音化が図られる。また、光学系などの部品点数が少なくて済むため、低コスト化が図られる。
【００４２】
実施の形態７．
図７は、光受信器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。半導体光増幅器１０は、図２と同様な構成を有し、ｎ−ＩｎＰなどで形成された基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された下クラッド層１３と、活性層１２および下クラッド層１３の両側に設けられ、ＩｎＰなどで形成された電流ブロック層１４，１５と、下クラッド層１３および電流ブロック層１５の上を覆うように設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された上クラッド層１６と、基板リッジの両側で上クラッド層１６から基板１１の内部に達する２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層１６および溝１７ａの表面に設けられ、メサ構造１７の上面において開口した電気絶縁膜１８と、電気絶縁膜１８の開口部を介して上クラッド層１６と電気的に接触した表面電極１９などで構成される。
【００４３】
光受信器５０は、半導体光増幅器１０と同じプロセスおよび同じ構成で形成可能であり、共通の基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられた下クラッド層１３および上クラッド層１６と、電気絶縁膜１８と、表面電極５１などで構成される。半導体光増幅器１０の表面電極１９と光受信器５０の表面電極５１との間には、デバイス間の分離を高めるための電気絶縁膜５２が設けられる。
【００４４】
次に動作について説明する。半導体光増幅器１０では、表面電極１９から活性層１２へキャリアが注入されると、活性層１２でのキャリア密度が高くなり、誘導放射のための反転分布が形成される。この状態で、外部からの信号光が活性層１２の長手方向に沿って進行すると、反転分布の誘導放射によって信号光が増幅される。増幅された信号光は、光受信器５０の活性層１２に到達する。
【００４５】
このとき、上述したように、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たし、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎがｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすように構成することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。
【００４６】
光受信器５０では、半導体光増幅器１０からの信号光が光受信器５０の活性層１２に入射すると、電子と正孔のキャリアが生成され、電気信号として表面電極５１から出力される。
【００４７】
本実施形態では、光受信器５０と半導体光増幅器１０をモノリシックに集積することによって、光受信器５０と半導体光増幅器１０を別個に配置にした場合と比較して、デバイス全体の小型化が図られるとともに、光受信器５０と半導体光増幅器１０の間の光学的結合効率を１００％近くまで向上できるため、信号光の高出力化および低雑音化が図られる。また、光学系などの部品点数が少なくて済むため、低コスト化が図られる。
【００４８】
実施の形態８．
図８は、光変調器と２つの半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。この光通信デバイスは、光変調器４０と、光変調器４０の光入射側に設けられた半導体光増幅器６０と、光変調器４０の光出射側に設けられた半導体光増幅器７０などで構成される。
【００４９】
半導体光増幅器６０，７０は、図２と同様な構成を有し、ｎ−ＩｎＰなどで形成された基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層と、活性層の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された下クラッド層と、活性層および下クラッド層の両側に設けられ、ＩｎＰなどで形成された電流ブロック層と、下クラッド層および電流ブロック層の上を覆うように設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された上クラッド層と、基板リッジの両側で上クラッド層から基板１１の内部に達する２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層および溝１７ａの表面に設けられ、メサ構造１７の上面において開口した電気絶縁膜と、電気絶縁膜の開口部を介して上クラッド層と電気的に接触した表面電極６１，７１などで構成される。
【００５０】
光変調器４０は、図６と同様な構成を有し、半導体光増幅器６０，７０と同じプロセスおよび同じ構成で形成可能であり、共通の基板１１のリッジ上に設けられた活性層と、活性層の上に設けられた下クラッド層および上クラッド層と、電気絶縁膜と、表面電極４１などで構成される。半導体光増幅器６０の表面電極６１と光変調器４０の表面電極４１との間および半導体光増幅器７０の表面電極７１と光変調器４０の表面電極４１との間には、デバイス間の分離を高めるための電気絶縁膜が設けられる。
【００５１】
活性層を内部に有するメサ構造１７は、基板１１の端面に対して斜めに交差するように直線状に配置され、光通信デバイスの戻り光による光増幅器の発振を抑制している。
【００５２】
本実施形態では、光出射側の半導体光増幅器７０の活性層のバンドギャップ波長は、光入射側の半導体光増幅器６０の活性層のバンドギャップ波長より短波長側に設定されている。
【００５３】
図９は、半導体光増幅器６０，７０の利得カーブを示すグラフである。利得の波長依存性は、半導体光増幅器６０，７０の各活性層のバンドギャップの大きさに関係しており、光波長がある範囲より長くなったり短くなると、利得は低下する傾向を示す。従って、利得カーブには、最大利得となるピーク波長がそれぞれ存在する。
【００５４】
光出射側の半導体光増幅器７０の活性層のバンドギャップ波長をできる限り短波長側に設定することによって、利得ピーク波長もより短波長側に設定される。その結果、図３（ｂ）に示したように、注入電流が増加した場合、バンドフィリング効果によって利得のピーク波長は短波長側にシフトして、ピーク波長より長波長側の利得の増分ΔＧＬがピーク波長λｐより短波長側の利得の増分ΔＧＳより小さくなる（ΔＧＳ＞ΔＧＬ）。こうした効果は、使用波長と利得ピーク波長の差が大きいほど顕著に現れるため、注入電流の増加に対する利得の増分や微分利得が小さくなる。従って、利得カーブのピーク波長をより短波長側に設定することによって、活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎを低く設定することが容易になり、良好な光出力波形が得られる。
【００５５】
また、光入射側の半導体光増幅器６０の活性層のバンドギャップ波長は、半導体光増幅器７０のバンドギャップ波長よりも長波長側に設定することによって、半導体光増幅器６０の利得ピーク波長もより長波長側に設定される。その結果、図９に示すように、光出射側の半導体光増幅器７０の利得が長波長側で低下した場合でも、光入射側の半導体光増幅器６０が長波長側の利得低下を補償する。そのため、使用波長範囲における合成利得カーブが滑らかになり、光通信デバイス全体として利得の波長依存性を小さくすることができる。
【００５６】
なお、ここでは単一の光変調器の光入射側および光出射側に、単一の半導体光増幅器をそれぞれ配置した例を説明したが、光変調器の数および半導体光増幅器の数が２つ以上であっても本発明は同様に適用可能である。
【００５７】
実施の形態９．
図１０は、光変調器と２つの半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの製造プロセスの一例を示す斜視図である。この光通信デバイスは、図８と同様に、光変調器４０と、光変調器４０の光入射側に設けられた半導体光増幅器６０と、光変調器４０の光出射側に設けられた半導体光増幅器７０などで構成される。また、光出射側の半導体光増幅器７０の活性層のバンドギャップ波長は、光入射側の半導体光増幅器６０の活性層のバンドギャップ波長より短波長側に設定される。
【００５８】
まず図１０（ａ）に示すように、基板１１の上に、光入射側の半導体光増幅器６０を形成する部分において導波路となる位置の両側にＳｉＯ２などのマスクＭＡを予め形成する。
【００５９】
次に図１０（ｂ）に示すように、半導体光増幅器６０の活性層６２および半導体光増幅器７０の活性層７２を同時に形成する。このとき活性層６２，７２として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を採用するとともに、光入射側の活性層６２の層厚は、マスクＭＡの存在によって、光出射側の活性層７２のものより厚くなる傾向がある。そのため、活性層６２のウエル層もより厚くなって、そのバンドギャップ波長は活性層７２のものより長波長側に設定される。こうしたマスクＭＡを用いた選択成長技術を利用することで、一回の結晶成長で活性層６２，７２を同時に形成しつつ、両者間でバンドギャップ波長の差を付与することができる。
【００６０】
次に図１０（ｃ）に示すように、光変調器４０となる部分で活性層７２をエッチング等で部分的に除去した後、図１０（ｄ）に示すように、光変調器４０の活性層４２を形成する。
【００６１】
次に図１０（ｅ）に示すように、半導体光増幅器６０の活性層６２の導波方向と整合するように、光変調器４０の活性層４２および半導体光増幅器７０の活性層７２をエッチング等で加工する。
【００６２】
このように多重量子井戸構造を有する活性層を形成する際に、マスクＭＡを用いた選択成長技術を適用することによって、一回の結晶成長でバンドギャップ波長の差を付与することが可能になる。その結果、別々に活性層を形成する場合と比べて、結晶成長工程が少なくなり、高性能なモノリシック集積デバイスを実現できる。
【００６３】
実施の形態１０．
図１１は、光変調器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの他の例を示す部分破断斜視図である。この光通信デバイスは、図６と同様な構成を有するが、光変調器４０側の端面に高反射率コート４４を施して、入力光が入射した方向に向けて出力光を戻す反射型デバイスとして構成している点が相違する。
【００６４】
半導体光増幅器１０は、図２と同様な構成を有し、ｎ−ＩｎＰなどで形成された基板１１と、基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された下クラッド層１３と、活性層１２および下クラッド層１３の両側に設けられ、ＩｎＰなどで形成された電流ブロック層１４，１５と、下クラッド層１３および電流ブロック層１５の上を覆うように設けられ、ｐ−ＩｎＰなどで形成された上クラッド層１６と、基板リッジの両側で上クラッド層１６から基板１１の内部に達する２つの溝１７ａで構成されるメサ構造１７と、上クラッド層１６および溝１７ａの表面に設けられ、メサ構造１７の上面において開口した電気絶縁膜１８と、電気絶縁膜１８の開口部を介して上クラッド層１６と電気的に接触した表面電極１９などで構成される。
【００６５】
光変調器４０は、半導体光増幅器１０と同じプロセスおよび同じ構成で形成可能であり、共通の基板１１のリッジ上に設けられた活性層１２と、活性層１２の上に設けられた下クラッド層１３および上クラッド層１６と、電気絶縁膜１８と、表面電極４１などで構成される。半導体光増幅器１０の表面電極１９と光変調器４０の表面電極４１との間には、デバイス間の分離を高めるための電気絶縁膜４２が設けられる。
【００６６】
次に動作について説明する。半導体光増幅器１０では、表面電極１９から活性層１２へキャリアが注入されると、活性層１２でのキャリア密度が高くなり、誘導放射のための反転分布が形成される。この状態で、外部光源からの入力光が半導体光増幅器１０の活性層１２の長手方向に沿って進行すると、反転分布の誘導放射によって入力光が増幅される。
【００６７】
増幅された入力光が光変調器４０の活性層１２に入射するとともに、変調された電気信号が表面電極４１を介して活性層１２に注入されると、電界吸収効果によって光が変調される。この変調光は、端面での高反射率コート４４によって反射され、再び光変調器４０の活性層１２を通過する。その際、光は再び活性層１２の電界吸収効果によって変調されるため、光変調器４０の変調効率は実質的に倍増する。
【００６８】
変調された光は、再び半導体光増幅器１０を通過して、反転分布の誘導放射によって増幅される。従って、半導体光増幅器１０の増幅効率は実質的に倍増する。
【００６９】
このとき、上述したように、活性層１２のキャリア寿命τがτ≦０．３ｎｓを満たし、活性層１２の微分利得ｄｇ／ｄｎがｄｇ／ｄｎ≦４×１０−１６ｃｍ２を満たすように構成することによって、光出力波形のオーバーシュートを解消できる。
【００７０】
本実施形態では、光変調器４０と半導体光増幅器１０をモノリシックに集積することによって、光変調器４０と半導体光増幅器１０を別個に配置にした場合と比較して、デバイス全体の小型化が図られるとともに、光変調器４０と半導体光増幅器１０の間の光学的結合効率を１００％近くまで向上できるため、信号光の高出力化および低雑音化が図られる。また、光学系などの部品点数が少なくて済むため、低コスト化が図られる。
【００７１】
さらに、反射型デバイスとして構成することにより、光が半導体光増幅器１０および光変調器４０を２回通過するため、増幅効率および変調効率が大幅に向上する。
【００７２】
実施の形態１１．
本実施形態では、上述した各実施形態での半導体光増幅器に加えて、正チャープの変調光を出力する光送信デバイスを含んだ光通信デバイスについて説明する。
【００７３】
光送信デバイスが正チャープの変調光を出力する場合、各実施形態での半導体光増幅器を利得飽和領域で動作させることによって、変調光に負チャープを付与して、変調光の正チャープを補償することができる。これによって、変調光のチャープ特性および光ファイバの分散特性に起因する光伝送波形の悪化を抑制することができ、伝送可能距離を延ばすことができる。
【００７４】
半導体光増幅器を利得飽和領域で動作させた場合、その出力光が受けるチャープαは、下記の式で表される。
α＝α’・（ｄＧ／ｄＰｉｎ）／（１＋（ｄＧ／ｄＰｉｎ））
【００７５】
ここで、α’は半導体光増幅器の線幅増大係数、Ｇは利得、Ｐｉｎは入力光の強度であり、ｄＧ／ｄＰｉｎは利得Ｇの入力光強度Ｐｉｎに対する依存性を示す。線幅増大係数α’は常に正の値（＞０）であり、ｄＧ／ｄＰｉｎに関して、入力光強度Ｐｉｎが変化しても利得Ｇが変化しない非飽和領域ではｄＧ／ｄＰｉｎ＝０であるが、入力光強度Ｐｉｎが増加すると利得Ｇが低下する飽和領域ではｄＧ／ｄＰｉｎ＜０になる。従って、半導体光増幅器を利得飽和領域で動作させた場合、出力光チャープαは負の値（＜０）になり、変調光の正チャープを補償するように機能する。その結果、オーバーシュートの無い良好な光出力波形および長距離伝送に良好な光伝送波形を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】半導体光増幅器の光出力波形に関するシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２】本発明の第１実施形態を示す斜視図である。
【図３】光波長に対する活性層の利得カーブを示すグラフであり、図３（ａ）は注入電流Ｉ１の場合、図３（ｂ）は注入電流Ｉ１の場合および注入電流Ｉ２（＞Ｉ１）の場合をそれぞれ示す。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、信号光の波長を変化させた場合の光出力波形を示すグラフであり、図４（ｅ）は、図３（ａ）に示す利得カーブのピーク波長λｐと各信号光波長との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る半導体光増幅器を組み込んだ光通信デバイスの各例を示す構成図である。
【図６】光変調器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。
【図７】光受信器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。
【図８】光変調器と２つの半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの一例を示す部分破断斜視図である。
【図９】図８に示す各半導体光増幅器の利得カーブを示すグラフである。
【図１０】光変調器と２つの半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの製造プロセスの一例を示す斜視図である。
【図１１】光変調器と半導体光増幅器をモノリシックに集積した光通信デバイスの他の例を示す部分破断斜視図である。
【図１２】従来の半導体光増幅器の光出力波形の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１０，６０，７０  半導体光増幅器、  １１  基板、  １２，４２，６２，７２  活性層、  １３  下クラッド層、  １４，１５  電流ブロック層、  １６  上クラッド層、  １７ａ  溝、  １７  メサ構造、  １８，４２，５２  電気絶縁膜、  １９，４１，５１，６１，７１  表面電極、  ３０  ＬＤ光源、  ４０  光変調器、  ４４  高反射率コート、  ５０  光受信器、  ＭＡ  マスク。
【図１】
2005135956.tif 000003
【図２】
2005135956.tif 000004
【図３】
2005135956.tif 000005
【図４】
2005135956.tif 000006
【図５】
2005135956.tif 000007
【図６】
2005135956.tif 000008
【図７】
2005135956.tif 000009
【図８】
2005135956.tif 000010
【図９】
2005135956.tif 000011
【図１０】
2005135956.tif 000012
【図１１】
2005135956.tif 000013
【図１２】
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